JPH0495901A - 薄膜光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は　基板上に屈折率の異なる誘電体を複数層設け
て形成される光学薄膜で、特に基板がプラスチックフィ
ルムのように柔軟性に富む材質の場合の光学薄膜　およ
びそれをコンバイナとして用いたヘッドアップディスプ
レイに関する。

従来の技術 従来　屈折率の異なる無機誘電体材料の積層により特定
波長の光を干渉させて機能を発揮する光学薄膜ζよ　ガ
ラスなどの透明基板の透過率を向上させるための反射防
止膜や特定波長域を反射または透過させる高反射膜（ダ
イクロイックミラー）またはバンドパスフィルタなどと
して利用されていも また　ヘッドアップディスプレイ用のコンバイナとして
は　反射型のホログラムや半透明鏡そしてダイクロイッ
クミラーを用いる方法があムさらに車載用のへラドアッ
プデイスプレィに限定すれ（Ｌ　コンバイナのフロント
ガラスとの一体化　ホログラムの合わせガラスへの挟み
込みなども提案されている（日本光学会ホログラフィッ
ク・デイスプレィ研究会会報１９９０年１月号）。

発明が解決しようとする課題 このような従来の無機誘電体材料の薄膜形成は多層に積
層する必要もあって、真空蒸着法　スパッタリング法な
どの真空装置を用いた乾式製膜方法によってい丸 そのた敢　大面積の光学薄膜を得ようとする場合、極度
に大きな真空設備を必要とし　その排気に長い時間を要
するので、生産性が劣ったり、満足し得る膜厚の均一性
が得難いといった問題点があった またヘッドアップディスプレイの場合、安全性を向上さ
せるためにフロントガラスとコンバイナを一体化させよ
うとするとフロントガラスごと真空装置に投入して薄膜
形成を行う必要があムまた合わせガラスに挟み込むホロ
グラムは反射型であるので、　１枚１枚露光して作製す
る必要があるなど、量産性に乏しいという問題点や、合
わせガラス製造工程における加熱圧着条件に耐え得るホ
ログラム記録材料が存在しないといった問題点があった 本発明はこのような課題を解決するもので、大面積の薄
膜光学素子、並びにこれをコンバイナとして用いること
により容易にコンバイナとフロントガラスを一体化でき
るヘッドアップディスプレイを提供することを目的とす
るものであも課題を解決するための手段 基材上に屈折率の異なる高分子組成物を、低屈折率層と
高屈折率層としてそれぞれ１層以上交互に積層して薄膜
光学素子としたものであａまた　屈折率の異なる高分子
組成物を、低屈折率層と高屈折率層として基材上に各々
１層以上交互に積層してなる選択光反射薄膜光学素子を
コンバイナとしたものであａ 作用 屈折率の異なる誘電体として高分子組成物を用いるので
、溶液状態または水性分散状態での塗布及び乾燥を繰り
返すことで積層することができ、容易に膜厚の均一性が
高い大面積の薄膜光学素子を大量に得ることができも または　上記の薄膜光学素子をコンバイナとすることに
より、キャノピまたはフロントガラスとの一体化が容易
になると共に　安価にヘッドアップディスプレイを提供
することができる。

実施例 一般番ミ　　誘電体を基材上に積層して構成される薄膜
光学素子としてζよ　反射防止膜　選択光反射Ａ　バン
ドパスフィルタなどがある力丈　何れも屈折率の異なる
媒体の境界における光の反射と、誘電体を透過すること
で生じる位相差を利用するものであム 反射防止膜は薄膜表面の反射（空気等周囲の媒体と薄膜
の界面での反射）、光と薄膜裏面の反射（薄膜と基材の
界面での反射）、光の位相差を２分の１波長にすること
で、反射光を相互に打ち消させるものであも 基材よりも十分屈折率が低い材料であれば単層でも反射
防止能力は高い力丈　有機高分子化合物でそのような低
屈折率のものは存在しないので、単層で十分な性能を有
するものを構成することは困難であも そこで２層による反射防止膜には　４分の１波長膜を積
層する方法と、厚さが不定の膜の積層を行う方法があム 前者は基材上に４分の１波長の厚みの高屈折率材料と、
４分の１波長の厚みの低屈折率材料とを積層するもので
、低屈折率層表面での反射光を、位相が２分の１波長ず
れた低屈折率層と高屈折率層の界面並びに高屈折率層と
基材との界面での反射光で相殺するものであ４　従って
０度入射する単一波長の光に対する反射光が零になるに
（よ　以下の式が満足されれば良（騙 ここでｎ・、ｎｌ、ｎ２．ｎｌはそれぞれ空気　基材、
低屈折率材料　高屈折率材料の屈折率であム　例えばｎ
５＝ｌ、ｎ５＝１．　４９　　（ポリメチルメタクリレ
ート）の場合、　ｒｚ＝１．　３９　　（ポリ２，２゜
３、　４．　４．　４−へキサフルオロブチルアクリレ
ート）、ｎ２＝１．　７０　　（ポリ２Ｎ−力ルバゾリ
ルアクリレート）の組み合わせが得られ　高分子組成物
でも可能な構成となる。

後者ζよ　空気と上の界面での反射光と、振幅もしくは
位相がまちまちの上の層と下の層との界匣並びに下の層
と基材との界面での反射光との重ね合わせで打ち消し合
わせるものであり、薄膜構成材料としては自由度は高く
なる力交　設計はややむずかしくなム さらに多くの層を積層することによっても反射防止膜を
作製することができるパ　多重反射の光についても考虜
せねばならないので設計は更にむずかしくなる力丈　シ
ミュレーションにより最適材料構成を選択することがな
されていも 選択光反射膜（よ　第１図のように基材１上に低屈折率
材料２または３と高屈折率材料３または２を４分の１波
長で積層することで得られる。

獲得できる反射率は次式で与えられる。

但しｎＨ，ｎＬ、ｎｌは高屈折率層　低屈折率材料材の
屈折１．Ｎは積層数である。例え（′Ｌ　屈折率１．６
５のポリエチレンテレフタレートフィルム上へ　屈折率
１．４２のトリフルオロエチルアクリレート・アクリル
酸共重合体と、屈折率１゜６８のペンタブロモフェニル
メタクリレート・アクリル酸共重合体とを１２層積層す
ることで、　５０％以上の反射率を獲得することができ
もバンドパスフィルタなどいわゆる干渉フィルターζ戴
　その特性に応じて単色フィルター、帯域フィルターと
も呼ばれも 波長選択性の高い単色フィルタ−１ヨ４分の１波長積層
膜と２分の１波長膜そして４分の１波長積層膜の累積に
よって得ることができも帯域フィルタについても種々の
組み合わせによって構成することができる（Ｈ，Ａ、　
　マツフレオード「光学薄膜素子」小倉繁太部他訳日刊
工業新聞社（１９６９）。

これら薄膜光学素子を高分子組成物で構成しようとする
場合に問題となるの（ヨ（イ）簡便な積層方法が存在し
ないと思われたことと、　（ロ）高分子組成物では大き
く屈折率の異なる物質が存在しないた数　十分に性能の
高い素子を得ようとすると積層数が大きくなることであ
４ ここで上記（イ）の問題点は　積層する高分子組成物の
形態を選ぶこと、すなわち屈折率の異なる高分子組成物
を非水溶性のものと水溶性のものから選択し　各々非水
溶液または水溶液とすること、あるいは両者共に水性分
散液とすることによって塗布と乾燥を繰り返すことで積
層が可能になり、解決される。

また上記（ロ）の問題点ζ友　積層方法自体の簡便化に
より問題にならなくな４ 続いて本発明の薄膜光学素子の具体的製造方法並びに材
料について説明すも 薄膜光学素子は　基材上に屈折率の異なる高分子組成物
を積層して構成されるが、基材としては従来使用されて
いる材料としてζよ　各種ガラスやＰＭＭＡなどの有機
ガラス及びポリエチレンテレフタレートなどの透明フィ
ルムなどが最も一般的であるが、特に限定されるもので
はなｔ〜屈折率についても高分子組成物の屈折率差が大
きくないので基材の屈折率の光学素子の性能への影響は
余り大きくないので自由度は大きい力丈　積層する高分
子組成物の密着性については考虜する必要があム さらに屈曲性の高いフィルム状基材上に構成する場合に
ｉ！　　フィルム自体で多重反射による干渉が起こるの
で、その厚みに注意しなければならな（〜　厚みは可視
光域においては厚みが３０ミクロン以上あれば影響がな
（を 屈折率の異なる高分子組成物として（よ　低屈折率層を
構成するものと高屈折率層を構成するもので屈折率差が
あれば良し− 用いる高分子組成物は高分子化合物を組成として含むも
のであればよく、例えば屈折率調整のために高分子化合
物に低分子化合物が溶解しているものでもかまわな（〜 高分子組成物の屈折率差が小さいと、薄膜光学素子とし
て性能を発揮させるために必要な積層数が大きくなりす
ぎるので、　０．２以上の屈折率差があることが好まし
１．Ｘｏ　　比較的高い屈折率を有する高分子化合物と
してζよ　ポリペンタブロモフェニルメタクリレート（
１，７１）、ポリビニルカルバゾール（１，６８）、ポ
リビニルナフタレン（１，６８）、ポリエチレンテレフ
タレート（１゜６５）、ポリα−ナフチルメタクリレー
ト　（１゜６４）、ポリオルトクロロスチレン（１，６
０）、ポリスチレン（１，５９）などの芳香族重合体を
挙げることができ、比較的低い屈折率を有する高分子化
合物として（よ　ポリへブタフルオロブチルアクリレー
ト（１，３７）、ポリフルオロエチルアクリレート（１
，４１）などの含フツ素高分子化合物や、ポリ酢酸ビニ
ル（１，４７）、ポリメチルアクリレート　（１，４７
）、ポリビニルアルコール（１，４９）、ポリメチルメ
タクリレート（１，４９）などの汎用ポリマーを挙げる
ことができも　もちろんこれら以外の重合体並びに共重
合体も有用であり、上記列挙した付加重合体以外のポリ
アミド、ポリイミド、　ポリエステ／ｋ　　ポリカーボ
ネートなどの各種縮重合体　ポリウレタンなどの重付加
体などももちろん使用することができも　さらに低分子
化合物の架橋などの反応による高分子物質も有用である
ことはいうまでもなしも高分子化合物の選定上の留意点
としては屈折率以外に透明法　温度特性そして基材や他
方の高分子組成物との密着性があム 特に透明性については重要で、　１層の薄膜として十分
透明でも積層すると散乱のため透過度が十分なかったり
、波長選択性が劣ったりすも屈折率の調整、密着性の改
善などのため艮　高分子組成物に溶解状態で含有させる
低分子化合物は　目的にあえば特に限定されない力丈　
高分子化合物との相溶性は低分子化合物のブリードに関
与するので、注意する必要があム 低屈折率層または高屈折率層を構成する高分子組成物（
表　各々１種類でなくても良いこと勿論であａ また基材との密着性を確保するために　最下層を密着性
の高いものにしたり、表面硬度を高くするため＆ミ　最
上層だけを硬化性樹脂で構成することは有効な方法であ
る。

高分子組成物を積層する場合の高分子組成物の形態（友
　溶液または水性分散状態であるが、材料の水溶咀　非
水溶性に応じて選択することとなムたな　非水溶液とし
て塗布　乾燥されても水に溶解したり膨潤したりするも
α　あるいは水溶液として塗布　乾燥されてもその上に
塗布される非水溶液に溶解あるいは膨潤するものは　層
構成を乱すので好ましくな（− 低屈折率層及び高屈折率層を構成する高分子組成物をと
もに水性分散状態で積層する場合は　その点自由度が太
きｔち　即板　例えば高分子化合物の酸部分あるいは塩
基部分を揮発性の塩基あるいは酸で中和することで水性
分散性を与えた場合、塗布および乾燥を行うと再度水性
液に接触しても溶解または分散することがないので積層
が容易であム　また　そうなるように水性分散状態にす
る高分子化合物中の酸または塩基成分の量を調整する必
要はあも 高分子組成物を積層するために塗布する方法としては　
デイツプする方法　スピンコード、塗液を滴下したあと
傾斜して放置する方法などがある力丈　基材がフィルム
状で屈曲性が高い場合、グラビアコーチインク−ロッド
コーティング、　ドクターロールコーティングなどの方
法が実施でき、また量産性も高しｔ 塗布物を乾燥する方法としてるよ　熱風により乾燥する
方法や赤外線により乾燥する方法がある載量産性におい
ては前者がはるかに有利であも積層する厚みは　目的と
する薄膜光学素子による設計に応じて設定すれば良し− この積層時に１層１層条件を変えて積層し　光学特性を
測定すれば各積層工程での条件は定まａ例えばロッドコ
ーターなどで長尺物に塗布する場合に（よ　１層塗布し
乾燥が終わった段階で光学特性を測定し　ズレがあった
場合にはリアルタイムに塗工条件にフィードバックさせ
る管理方式が有効であも　しかし装置として（よ　搬送
連星　基材の支持が確実なものでなければならなＩ、〜
塗布後の乾燥工程についてＬ　目標膜厚が小さいので塗
液の固形分濃度は小さくなり通常粘度もかなり低くなる
ので、塗液が塗布された基材の搬送方向を上下方向に大
きく変化させずにすばやく乾燥させるべきであも さらに例えばロッドコーター　グラビアコーターなどで
長尺基材に塗布する場合には　ロッドに巻くワイヤーに
ワイヤー径が連続的に変化しているものを用いること東
　グラビア版を非均−的に加工することで、塗布方向に
垂直な方向に膜厚分布を形成させることができも 薄膜光学素子の最上層として硬化性樹脂を使用する場合
の硬化方法としては　その硬化性樹脂の硬化方法に従え
ばよく、紫外線を照射したり、長時間加熱したり、電子
線を照射したりすれば良１．Ｘ。

長時間の加熱（よ　層構成材料の耐熱性が十分でない場
合には層構成が乱れる場合があるので、光硬化性樹脂を
用いるのが簡便である。

続いてヘッドアップディスプレイについて説明すも 第２図に示すようにヘッドアップディスプレイは通象　
蛍光表示ｔ　　ＣＲＴ、発光光源を備えた液晶表示素子
、あるいはレーザースキャナなどの発光表示装置１１と
、外光を透過しかつ前記発光表示装置からの光を反射す
ることにより、観察者に対して外側の前方視野と重畳さ
せて表示するためヘ　キャノピ−またはフロントガラス
１５の手前に設置した　あるいはキャノピ−またはフロ
ントガラス１５と一体化して設置したコンバイナ１２、
さらに場合によっては光路を変更するための反射ミラー
１３や表示像を実際の発光表示装置よりも遠方に表示さ
せるためのコンデンサレンズ１４などの光学素子から構
成されも 発光表示装置は設置上の観点からは小型のものが、また
表示の視認性の観点からは高輝度のものが好ましｔ〜 設置位置として（表　航空機や自動車の計器類設置位置
や、操縦者あるいは運転者の頭上などが考えられていも コンバイナに（よ　大きく分けてハーフミラ−タイプと
、ホログラフィック光学素子タイプがある。

ハーフミラ−タイプにｌ；！、、　　反射率の高い金属
をごく薄く透明基材に設けて、はぼ可視光域全体にわた
り３０〜７０％程度の反射率または透過率を獲得するも
のと、前述のように基材上に屈折率の異なる誘電体を積
層して特定波長域において高反射率（低透過率）を、そ
れ以外の波長域において高透過率（低反射率）を獲得す
るものかあ４ホログラフイツク光学素子タイプＧＥＬ　
　反射型のホログラムを使用するもので、単に選択光反
射の機能ばかりでなく、コンバイナを介して投影される
虚像の位置を変化させるレンズ機能も同時に有し得るの
で、省スペース効果が大きく、機能的には優れていも　
しかし複製が困難なので一枚一枚露光現像して作製する
必要があり、価格が高くなも コンバイナの設置位置は操縦者、運転者の前方かつ外景
への操縦者、運転者の視線上である。結果的にキャノピ
−やフロントガラスの手前側に設置したり、キャノピ−
やフロントガラスと一体化させる方法が主流となってい
も キャノピ−やフロントガラスと一体化させる方法として
慰　表面に接着する方法　キャノピ−やフロントガラス
自体を薄膜光学素子の基材とする方法　合わせガラス構
造となっているフロントガラスの場合には合わせガラス
の接着剤部分に挟み込む方法があム 設置方法に応じて、コンバイナとして用いる光学素子の
基材を選択すれば良（−すなわ板　キャノピ−やフロン
トガラスの手前にたてる場合に（よ例えばガラスもしく
は有機ガラスなどで十分な剛性を確保できる厚みのある
ものを、接着や挟み込みにより一体化させる場合にζ友
　厚みが薄１．Ｘ、場合によっては屈曲性のあるものを
選択すれば良（〜特にキャノピ−やフロントガラスの表
面に接着する場合に（上　高分子フィルムなどが作業性
がよく、　好ましく℃ ここで用いられる接着剤ζよ　透明性、接着性が十分で
あれば特に限定されな（− また光学素子を接着してコンバイナとする場合にζよ　
光学素子の保護のために表面を光　熱または電子線硬化
性樹脂で被覆した方が好まし賎被覆する方法は　第３図
のように硬化性樹脂２３が基材２１上の薄膜を積層した
部分、またはホログラム記録材料部分となる薄膜光学素
子２２の端面をも被うような形態力丈　剥離を抑えるた
めには好まし賎 発光表示装置とコンバイナの光路間に光学素子を組み込
む場合に（よ　平皿　５献　凹面などの各種ミラーやブ
リズへ　あるいは各種レンズが用いられも 以下にさらに具体的な実施例を示す。

実施例１ よく表面研磨した厚さ１ｍ＆１０ｃｍ四方のパイレック
ス７７４０基板上へ　ポリビニルアルコール（（株）ク
ラレ　ポバール４２０）の２％水溶液とポリビニルカル
バゾールの２％テトラヒドロフラン溶液とを交互にスピ
ンコーティングおよび乾燥し　入射角度４５度、波長５
５０ｎｍに対する４分の１波長膜を合計１４層積層した このようにしてできた薄膜光学素子の４５度入射での反
射Ｕ５５０ｎｍで４０．５％になった実施例２ 厚さ５０ミクロン、幅２０ｃｍのポリエチレンテレフタ
レート製透明フィルムＩｔ’−、トリフルオロエチルア
クリレート・アクリル酸共重合体をアンモニアで中和し
た固形分２％の水性分散液と、ナフチルメタクリレート
・アクリル酸共重合体をトリエチルアミンで中和した固
形分２％の水性分散液とを、線径５０ミクロンのワイヤ
ーを巻いたコーティングロッドを備えたコーターを用い
て、毎分１０ｍの速度で１０００ｍ塗布し　入射角度２
０度、波長５５０ｎｍに対して４分の１波長の光学厚み
の屈折率の異なる２層を設けた さらにこの工程を５回繰り返して、合計１２層の選択光
反射膜を作製し九 選択光反射光の中心波長のばらつき（よ　塗布幅２０ｃ
ｍのうち内側１８ｃｍについては上下１０ｎｍ。

反射率は平均４７％で、これに対するばらつきが上下ｌ
Ｏ％であっ九 実施例３ 実施例１と同様にポリビニルアルコールとポリビニルカ
ルバゾールとを１３層積層した後、窒素雰囲気下で最後
に光硬化性樹脂を４分の１波長分塗布し　紫外線照射し
て硬化させ九 その結果　実施例１と同様の性能が得られた実施例４ 実施例１で作製した薄膜光学素子を、自動車のフロント
ガラスの手前に立てコンバイナとし　コンバイナによる
反射光が運転者の視点にくるように蛍光表示管を設置し
て、ヘッドアップディスプレイとしｔも このヘッドアップディスプレイζ戴　外景の観察に支障
が感じられないものであった 実施例５ 実施例２で作製した薄膜光学素子フィルムをそのまま用
いて、実施例２の薄膜光学素子フィルムの積層側を、自
動車のフロントガラスの車内側に張り付は接着し　コン
バイナを作製した次に実施例２で作製した薄膜光学素子
フィルムに　水溶性の光硬化性樹脂を塗布した後、紫外
線を照射して硬化した こうして得た薄膜光学素子フィルムの背面の基材側に嫌
気性接着剤を塗布して、自動車のフロントガラスの車内
側に張り付は接着し　フロントガラスと一体化したコン
バイナとしｔ４ 実施例４と同様にして、ヘッドアップディスプレイを構
成した セーム皮でこの２種のコンバイナ部を拭いても傷はつか
なかっに 比較例１ ポリトリフルオロエチルアクリレートのトルエン・２−
ブタノン混合溶液と、ポリビニルナフタレンの２−ブタ
ノン溶液とを、実施例１と同様にして積層塗布しようと
した しかし　後から塗布する場合に　溶液を滴下した部分の
下の層が溶解しているらしく、透過像が歪んでしまう層
構成になってしまっ九 発明の効果 以上のよう（二　基材上に屈折率の異なる高分子組成物
を、低屈折率層と高屈折率層として各々１層以上交互に
積層することにより、大面積の薄膜光学素子を容易に得
ることができも さらく　基材上に屈折率の異なる高分子組成物を、低屈
折率層と高屈折率層として各々１層以上交互に積層して
なる選択光反射薄膜光学素子をコンバイナとすること、
またはプラスチックフィルムを基材とした反射型ホログ
ラム　または薄膜光学素子の表面を光または熱硬化性樹
脂等で被（（基材側をキャノピまたはフロントガラスに
接着してコンバイナとすることによって、簡便にまたは
容易にコンバイナとフロントガラスを一体化したヘッド
アップディスプレイを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の薄膜光学素子の断面図　第
２図は同ヘッドアップディスプレイの構成医　第３図は
面別の薄膜光学素子の断面図であも １・・・・基材、　２・・・・低（高）屈折率材礼　３
・・高（低）屈折率材Ｋ　　１１・・・・発光表示装置
１２・・・・コンバイナ、　１３・・・・反射ミラー、
　１４・・・・コンデンサレン、（１５・・・・フロン
トガラス２１・・・・基材、　２２・・・・薄膜光学素
子、　２３・・・・硬化性樹脂 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名基　　　町 １氏（Ｘ）屈　Ｉｌ′Ｔ　　至　何　科第２図 発　光　表７Ｆ、表Ｉ コンバイナ 反　虹　ミ　　ラ　　− コンテンプレンズ フロントガラス 丙

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）基材上に屈折率の異なる高分子組成物を、低屈折
   率層と高屈折率層としてそれぞれ１層以上交互に積層し
   たことを特徴とする薄膜光学素子。
2. （２）低屈折率層を形成する高分子組成物と高屈折率層
   を形成する高分子組成物の何れか一方の組成物が、非水
   溶性高分子組成物であり、他方が水溶性高分子組成物で
   あることを特徴とする、請求項１記載の薄膜光学素子。
3. （３）低屈折率層を形成する高分子組成物と高屈折率層
   を形成する高分子組成物がともに水分散性樹脂を含むこ
   とを特徴とする、請求項１記載の薄膜光学素子。
4. （４）基材上に積層した最上層を形成する高分子組成物
   が、光、熱または電子線により硬化する樹脂を含むこと
   を特徴とする、請求項１記載の薄膜光学素子。
5. （５）低屈折率層を形成する高分子組成物と液体との混
   合物と、高屈折率層を形成する高分子組成物と液体との
   混合物との少なくとも２種以上の混合物を、基材上に交
   互に塗布乾燥し積層することを特徴とする薄膜光学素子
   の製造方法。
6. （６）混合物の一方が非水溶液であり、他方が水溶液で
   あることを特徴とする、請求項５記載の薄膜光学素子の
   製造方法
7. （７）混合物が共に水性分散液でることを特徴とする、
   請求項５記載の薄膜光学素子の製造方法。
8. （８）屈折率の異なる高分子組成物を、低屈折率層と高
   屈折率層として各々基材上に１層以上交互に積層してな
   る選択光反射薄膜光学素子をコンバイナとしたことを特
   徴とするヘッドアップディスプレイ。
9. （９）基材がプラスチックフィルムであり、前記基材上
   に積層した最上層を構成する高分子組成物が、光、熱ま
   たは電子線により硬化する樹脂を含む選択光反射薄膜光
   学素子を、キャノピーまたはフロントガラス表面に接着
   してコンバイナとしたことを特徴とする、請求項８記載
   のヘッドアップディスプレイ。